玻尔和爱因斯坦

在量子力学的发展史中，爱因斯坦和玻尔曾有过三次大的辩论，这三次辩论也是代表着经典实在论与哥本哈根学派的争论，也是探索微观世界很重要的一段发展史。

那么本期呢，我们就来聊聊量子纠缠这一块，也就是玻爱的第三次论辩。

说道这次论辩，我们先从探究光开始！

光是什么？

虽然我们接触光的时间很长，但它到底是什么呢？

1690年惠更斯在《光论》中提出，光是一种波。但在1704年，牛顿在《光学》的著作中提出，光应该是像子弹一样的一粒粒微粒，即粒子。

所以，光到底是粒子还是波？这是人们最初对光的疑问。

1801年托马斯杨做了一个著名的实验，杨氏双缝干涉实验。通过这次的实验我们知道，光具有波动属性的事实。

托马斯.杨

不过在1905年，爱因斯坦在他发表的《关于光的产生和转化的一个试探性观点》（解释光电效应）中指出，光也存在粒子的属性。

所以，这时我们不得不面对一个事实：光，有时我们必须要用粒子的属性去看待，有时则必须要用波的属性去看待。

也就是它两种属性都存在，即，波粒二象性。

那么，这就引申出来一个问题，除光子外，像电子这样的其它粒子在具有粒子属性的同时，会不会也具有波的属性呢？

1923年物理学家德布罗意提出了这个想法。

理论看似惊人，但它们确实存在。

德布罗意

那么到了这个时候，物理学家们则需要一种理论来描述波随时间的变化。也就是，我们应该用什么样的公式来计算波呢？

粒子的属性我们可以根据牛顿的经典理论去计算，也就是速度、 时间、位置的变化关系。但波随时间变化的方程是什么？

1925年薛定谔提出了他的方程，我们现在称之为：薛定谔方程。

薛定谔和他的方程

薛定谔雕塑上的方程

薛定谔方程可以很好的描述波随时间变化的状态，它很成功。

但同时，它也打开了一扇诡异的大门。

玻爱之争，也便由此拉开帷幕。

薛定谔方程的解释

薛定谔方程的解是一个函数，我们称之为波函数！

波函数

虽然它可以描述粒子波动的状态，但它对应的物理现实到底是什么，没有人知道，包括薛定谔本人！

1926年的时候，物理学家玻恩给出了一个解释，他认为，薛定谔的波函数其实说明的是，微观粒子出现的概率，波函数绝对值的平方便是粒子可能出现的位置。这也就是现在我们所说的概率波。

但，为什么是这样，为什么我们不能像经典世界那样准确的知道粒子的状态及位置呢？

这是理论的不完整还是测量的精度有问题？

玻尔和海森保等人认为，概率的性质是微观世界本身所具有的性质，微观世界它是不确定的。

微观的粒子在观测之前，它没有真实的状态，所以它就像波函数描述的那样，弥漫在整个空间，而当我们观测时，会导致波函数的塌缩，进而使它呈现出真实的状态。

这便是所谓的哥本哈根诠释。

这个解释与我们认知的经典世界完全不同。

让我们感觉，好像微观世界是虚无缥缈的存在，很不真实。

所以它很难被人们接受，这其就包括大名鼎鼎的爱因斯坦。

爱因斯坦是位纯粹的实在论主义者，他不相信组成世界的基本粒子会以这样不确定性的概率而存在，并且还会因观测而改变。

他认为这是理论的不完整，而不是微观世界本身的性质，所以他认为哥本哈根学派这样的解释很荒谬。

因此，他和玻尔便有了长达十几年的争辩。

量子纠缠的提出

玻尔和爱因斯坦的争辩可分为三次大的辩论，分别是1927年和1930年的索尔维会议上，以及1935年他们的科学论文中。

1927年索尔维会议合照

那么这次我们就只说第三次 ，也就是1935年那次辩论。

1935年5月，爱因斯坦和波多尔斯基，以及罗森，共同发表了一篇质疑量子力学完整性的论文《物理实在的量子力学描述能否被认为是完备的？》。

1935年爱因斯坦三人联合发表的论文

这篇质疑的论文，便是后来我们所说的EPR佯谬，也就是量子纠缠（薛定谔后来命的名）。

起初的EPR佯谬是用粒子位置以及动量的关联来质疑不确定性的漏洞，但展现出哥本哈根诠释的矛盾不是很明显，所以之后，便有了另一个版本，这个版本考虑了量子的叠加态。

这个版本有这么一个思想实验，说是有一个衰变的粒子，由于遵守各种守恒，它会衰变成两个强相关联的粒子，比如自旋，在没有衰变之前它的自旋是零，那么衰变之后它必然会生成两个自旋相反的粒子以保证整体的零自旋。

所以，当我们知道了一个粒子的自旋之后，就会根据这个关联进而知道另一个粒子的自旋，无论它们相距多远。

因为根据守恒在分开之前，它们的属性就已经确定。这个很好理解，是吧。

但根据哥本哈根的诠释，问题就变得很是不可思议。

哥本哈根诠释是建立在不确定性原理上，也就是在测量之前，粒子的属性是不确定的，是处于叠加的状态，即可以是左也可以是右，只有在测量之后，它们的叠加态才会消失，也就是波函数塌缩呈现单一的真实，所以这样就会存在一个问题，如果测量一个粒子的话，那么另一个粒子的叠加态也会随之消失，因为它们要保证整体的守恒。所以它只能塌缩为与之相反的状态，不管距离有多远，这都会发生。

爱因斯坦认为，这是不可能的。

他认为这是理论的不完整，之所以出现这种情况是存在一种我们未曾发现的隐藏变量，是它在我们测量之前就已经确定了粒子的状态，而不是那种观测时才影响而改变的鬼魅超距作用。

在爱因斯坦提出这个观点之后，哥本哈根学派还是以往的态度：现实就是如此，它就是这么的匪夷所思。

所以，到底哪个是对的呢？是爱因斯坦的隐变量机制还是哥本哈根诠释

EPR的验证

爱尔兰的物理学家贝尔很赞同爱因斯坦的观点，并于1964年提出了一个检验EPR的公式--贝尔不等式。

贝尔

它是这样的，如果现实是如爱因斯坦认为的隐变量机制，那么实验数据就会存在最大值，贝尔不等式成立。

如果现实如哥本哈根所释，那么贝尔不等式将不成立。

这个公式的出现，让我们有了可以检验EPR的方法，而不再只是思想的碰撞。

实验的过程我们在此不做过多的讨论，我们就谈结果。

大量的实验证实，纠缠并不遵循贝尔不等式。也就是说，哥本哈根诠释与真实的微观很接近。

今年（2022年）的诺贝尔物理学奖便是表彰三位物理学家在贝尔不等式实验方面做出的突出贡献。

2022年诺贝尔物理学奖获得者

所以，我们可以看到，尽管爱因斯坦对哥本哈根学派的诠释不认同，但微观世界确实就如他们所说，是异于我们宏观的规律，我们用宏观的思维去理解微观，是很难相信那些匪夷的存在。

我们要做的就是抛开宏观的枷锁去理解微观，去接受那些不可思议。

好了，这个就是量子纠缠以及爱因斯坦与波尔的一些历史往事。